第七章 有机介质中的酶反应
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第七章 有机介质中的酶反应.
8. 酶易于实现固定化。
3.能催化在水中不能进行的反 9.酶和产物易于回收。 应 4.可改变反应平衡移动方向 5.可控制底物专一性 6.可防止由水引起的副反应 10.可避免微生物污染。
10
三． 有机相酶反应具备条件
1． 2． 3． 4． 保证必需水含量。 选择合适的酶及酶形式。 选择合适的溶剂及反应体系。 选择最佳pH值。
加入适量的水，能使酶活 性中心的极性和柔性提高， 从而使酶活急剧升高。 再增加含水量时，非但不 会增加酶的催化活力，反 而会引起酶活力的降低。
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原因
酶分子结构的柔性过大，酶的构象将向疏水环境下热 力学稳定的状态变化，引起酶分子结构的改变而使酶 失去活性。
水分子在活性位点之间形成水束，通过介电屏蔽的作 用，掩盖了活性部位的极性。
第七章 有机介质中的酶反应
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
1
Contents of chapter 6
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第一节 有机介质中的酶促反应概述 第二节 有机介质中酶促反应的条件 第三节 有机介质对酶性质的影响 第四节 有机介质中酶促反应的应用
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26
溶解在溶剂中的水
结合在酶分 子上的水
水活度
结合在其他 组分上的水
气相中的水蒸气
27
采用水活度作为结合水量的衡量有多个优点
1 水活度的大小能直接反映出酶分子结合水的多少
2 反微量水的低水有机溶剂体系是一个涉及含酶和 载体的固相、含底物溶剂的液相和体系空间的气 相等三相系统，可用各相的水活度相等的原则方 便的表示或处理体系的平衡状态 3 可以在反应到达平衡时通过测定体系的气体湿度 比较方便的测定出水活度。
3.能催化在水中不能进行的反 9.酶和产物易于回收。 应 4.可改变反应平衡移动方向 5.可控制底物专一性 6.可防止由水引起的副反应 10.可避免微生物污染。
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三． 有机相酶反应具备条件
1． 2． 3． 4． 保证必需水含量。 选择合适的酶及酶形式。 选择合适的溶剂及反应体系。 选择最佳pH值。
加入适量的水，能使酶活 性中心的极性和柔性提高， 从而使酶活急剧升高。 再增加含水量时，非但不 会增加酶的催化活力，反 而会引起酶活力的降低。
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原因
酶分子结构的柔性过大，酶的构象将向疏水环境下热 力学稳定的状态变化，引起酶分子结构的改变而使酶 失去活性。
水分子在活性位点之间形成水束，通过介电屏蔽的作 用，掩盖了活性部位的极性。
第七章 有机介质中的酶反应
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
1
Contents of chapter 6
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第一节 有机介质中的酶促反应概述 第二节 有机介质中酶促反应的条件 第三节 有机介质对酶性质的影响 第四节 有机介质中酶促反应的应用
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26
溶解在溶剂中的水
结合在酶分 子上的水
水活度
结合在其他 组分上的水
气相中的水蒸气
27
采用水活度作为结合水量的衡量有多个优点
1 水活度的大小能直接反映出酶分子结合水的多少
2 反微量水的低水有机溶剂体系是一个涉及含酶和 载体的固相、含底物溶剂的液相和体系空间的气 相等三相系统，可用各相的水活度相等的原则方 便的表示或处理体系的平衡状态 3 可以在反应到达平衡时通过测定体系的气体湿度 比较方便的测定出水活度。
酶在有机介质中的催化特性
2、对映体选择性（enantioselectivity）
又称为体选择性或立体异构专一性，是 酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的 能力大小的指标。 ◆酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比 较，由于介质的特性发生改变，而引起酶的对 映体选择性也发生改变。 ◆酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在 疏水性强的有机介质中，酶的立体选择性较差。
eg.
水溶液中，蛋白酶只水解含有L-氨基酸的蛋白质，生成L-氨基酸 有机介质中，蛋白酶可用D-氨基酸合成由D-氨基酸组成的多肽
3、区域选择性
酶在有机介质中进行的催化反应具有区域选 择性（regioselectivity）, 即酶能够选择底物 分子中某一区域的基团优先进行反应。
4、键选择性： 酶在有机介质中进行的催化反应具有化学键 选择性。即在同一个底物分子中有两中以上的化 学键都可以与酶反应时，酶对其中一种化学键优 先进行反应。键选择性与酶的来源和有机介质的 种类有关。
5、稳定性
许多酶在有机介质中的热稳定性比在水溶液中的热稳定性更好。 酶在有机介质中的热稳定性还与介质中的水量有关。通常情况下，随着介质中水 含量的增加热稳定性降低。 在有机介质中，酶的稳定性之所以增强，可能是由于有机介质中缺少引起酶分子 变性失活的水分之所致。 水分子引起天冬酰胺与谷氨酰胺脱氨基作用 水分子引起天冬氨酸肽键的水解、半胱氨酸的氧化、二硫键的破坏
7.3 酶在有机介质中的催化特性
酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂
的极性与水有很大差别，对酶的表面结构、活性中
心的结合部位和底物性质都会产生一定的影响，从
而影响酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、
健康选择性和热稳定性等，而显示出与水相介质中 不同的催化特性。
酶工程4
• а w 是一个强质性质的物理量，在平衡状态时，反应体系中各
组分（酶、溶剂、底物和产物）的а
• 最佳水活度与溶剂的极性几乎无关
w
是相同的。
华东理工大学 ECUST
表征必需水作用的参数---热力学水活度
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获得恒定水活度的方法：
• 向反应体系中直接加水。 ×
• 用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶液和酶制剂。 • 直接向反应体系加入水合盐：Na2HPO4（二、七、十 二水合盐）
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3 专一性
枯草杆菌蛋白酶催化在水溶液中催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L
苯丙氨酸乙酯与丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯中：丝氨酸>苯丙氨
酸；在吡啶或季丁醇中：苯丙氨酸>丝氨酸 原因：溶剂改变底物分配系数
有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主 导反应。
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酶活性丧失的可能原因：
有机溶剂与底物或产物相互作用
• 直接作用：氯仿显著减少过氧化物酶催化苯酚的氧化，原因在于氯仿 是苯酚基的淬灭剂； • 影响底物或产物的分配
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2 活性
在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 （Super-activity）。 表面活性剂刚性壳层能缓冲酶结构波动性，保证酶结构的稳定； 保护酶避免与有机溶剂直接接触； 为酶催化反应提供巨大相界面，减小传质阻力
剂（如吡啶或二甲基甲酰胺） 例：在己烷中聚苯酚氧化酶的催化反应，极性的苯醌产物不溶于己烷，
导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，该聚合物缠住酶，降低酶活，
组分（酶、溶剂、底物和产物）的а
• 最佳水活度与溶剂的极性几乎无关
w
是相同的。
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表征必需水作用的参数---热力学水活度
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获得恒定水活度的方法：
• 向反应体系中直接加水。 ×
• 用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶液和酶制剂。 • 直接向反应体系加入水合盐：Na2HPO4（二、七、十 二水合盐）
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3 专一性
枯草杆菌蛋白酶催化在水溶液中催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L
苯丙氨酸乙酯与丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯中：丝氨酸>苯丙氨
酸；在吡啶或季丁醇中：苯丙氨酸>丝氨酸 原因：溶剂改变底物分配系数
有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主 导反应。
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酶活性丧失的可能原因：
有机溶剂与底物或产物相互作用
• 直接作用：氯仿显著减少过氧化物酶催化苯酚的氧化，原因在于氯仿 是苯酚基的淬灭剂； • 影响底物或产物的分配
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2 活性
在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 （Super-activity）。 表面活性剂刚性壳层能缓冲酶结构波动性，保证酶结构的稳定； 保护酶避免与有机溶剂直接接触； 为酶催化反应提供巨大相界面，减小传质阻力
剂（如吡啶或二甲基甲酰胺） 例：在己烷中聚苯酚氧化酶的催化反应，极性的苯醌产物不溶于己烷，
导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，该聚合物缠住酶，降低酶活，
第七章 非水介质酶反应考试PPT课件
一 水对微水介质中酶催化的影响
和猪 正胰 庚脂 醇肪 的催 转化 酯甘 反油 应三
丁 酸 酯
1 水的作用
必需水：
紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化 活性所必需的最少量水称为必需水
2 ．酶活与水的关系
• 水分子直接或间接地通过氢键、疏水键及 范德华力等非共价键相互作用来维持酶的 催化活性所必需的构象。
1． 有机溶剂对酶结构的影响
（2） 有机溶剂与扩散的底物或产物相互 作用而影响酶活 （3） 有机溶剂直接与酶附近的必需水相 互作用。
2 有机溶剂对酶活的影响
• 溶剂参数lgP：即一种溶剂在辛醇/水两 相间分配系数的常用对数值，它能直接 反映溶剂的疏水性。
• lgP越大，溶剂的疏水性越强； lgP越小， 溶剂的亲水性越强
（１）热稳定性提高 （２）储存稳定性提高
结论
在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密 切相关：
• 一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定； • 含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的
增加而急剧下降。
二 活性
• 刚-柔并存 • 刚性：生物大分子结 构的精确性 • 柔性：生物大分子局 部区域具有一定的可 运动性。
4 正胶束体系 • 表面活性剂：表面活性剂是由亲水憎油 的极性基团和亲油憎水的非极性基团两 部分组成的两性分子。 在有机相酶反应中用得最多的是阴离子 表面活性剂： AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸-2-乙 基酯磺酸钠。
4 正胶束体系
• 临胶束浓度：是胶束形成时所需表面活 性剂的最低浓度，用CMC来表示。
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Thank You
第三部分 有机介质中的酶反应
超临界流体的有关性质
（3）提高溶剂选择性的基本原则是：
第一：操作温度和超临界流体的临界温度接近； 第二：超临界流体的化学选择和待分离溶质的化 学性质接近。
工业类别
超临界流体萃取的应用实例
应用实例 （1） 原料药的浓缩，精制和脱溶剂（抗生素等）（2） 酵母，菌体 生成物的萃取（r-亚麻酸，酒精等）（3） 酶，维生素等的精制， 回收（4） 从动植物中萃取有效药物成分（生物碱，维生素E，芳 相油等）（5） 脂质混合物的分离精制（甘油酯，脂肪酸，卵磷酯） （1） 植物油的萃取（大豆，棕榈，花生，咖啡）（2） 动物油的萃取 （鱼油，肝油）（3） 食品的脱脂（马铃薯片，无脂淀粉，油炸食 品）（4） 从茶，咖啡中脱除咖啡因，啤酒花的萃取（5） 香料的 萃取（6） 植物色素的萃取（7） 油脂的脱色脱臭
具备条件 研究进展 应用现状
保证必需水含量 合适的酶及酶形式 合适的溶剂及反应体系 最佳pH值 超临界流体中的酶反应 仿水溶剂和印迹技术
第一节结束
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第二节 有机介质中酶促反应的 条件
一．必需水 二．酶的选择 三．溶剂及反应体系的选择 四．pH选择和离子强度的影响
一．必需水
概念： 紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活 性所必需的最少量水。
Biochemical Engineering Journal, 2002,11(2-3):95-100. J. Microbiology and Biotechnology, 2004 , 14(1):62-67.
双相体系与水相体系中产物纯度的比较
双相体系中，由于乙酸丁酯对产物苯乙酸的萃取， 双相体系中，由于乙酸丁酯对产物苯乙酸的萃取，促进 了酶反应的平衡，使得L 型底物的转化率为99.95％，而 了酶反应的平衡，使得L-型底物的转化率为99.95％，而 99.95％， 这样得到的D-叔亮氨酸的纯度也提高到99.5％。 这样得到的D 叔亮氨酸的纯度也提高到99.5％。 99.5
第七章_酶的非水相催化
第七章 酶的非水相催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
拒接翻版
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1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 3、酶在有机介质中的催化特性 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
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1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 3、酶在有机介质中的催化特性 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
有机介质中的酶反应
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（二）有机相酶反应具备条件 1．保证必需水含量。 2．选择合适的酶及酶形式。 3．选择合适的溶剂及反应体系。 4．选择最佳pH值。
（三）有机相酶反应的研究进展 1． 超临界流体中的酶反应 2． 仿水溶剂和印迹技术
医学ppt
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二、有机介质中酶促反应的条件 1．必需水 2．酶的选择 3．溶剂及反应体系的选择 4．pH选择和离子强度的影响
催化反应 肽合成 酰基化 氧化 聚合 氧化 酯化 肽合成 酯合成 转酯 聚合 酰基化
应用 合成多肽 糖类酰基化 甾体转化 酚类、胺类化合物的聚合 胆固醇测定 有机硅醇的酯化 青霉素G前体肽合成 醇与有机酸合成酯类 各类酯类生产 二酯的选择性聚合 甘醇的酰基化
医学ppt
医学ppt
9
• 有机溶剂影响酶催化的方式 （1）有机溶剂能通过直接与酶相互作用引起抑制或失活
A 增大酶反应的活化能来降低酶反应速度。
B 降低中心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键，使酶活性下降。
C 酶三级结构变化，间接改变酶活性中心结构影响失活。
（2）有机溶剂与扩散的底物或产物相互作用而影响酶活 （3）有机溶剂直接与酶附近的必需水相互作用
2）W值最佳时，微团内径总是相当于被包裹的酶分子直径。 3、专一性 • 某些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构象刚
性增强的结果。 • 有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。
医学ppt
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酶活性丧失的可能原因
医学ppt
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4、反应平衡方向
酶
合成产物
枯草杆菌蛋白酶 核糖核酸酶
2、酶形式的选择
（1）酶粉 例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化 活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。
有机介质中酶催化的基本原理
溶剂对与酶分子结合的水影响溶剂可以夺走吸附在酶分子表面上的必需水分造成酶活性下降水的能力越强水化修饰可以使酶分子与水结合的能力加强控制有机反应体系中的水活度可以有效地保证酶分子上吸附的水分一定下酶在不同溶剂中表现出来的活性也经常相差甚远这说明溶剂本身对酶催化确实存在着间接或直接的影响
第 17 卷 第 5 期 2005 年 9 月
化学进展
PROGRESS IN CHEMISTRY
VoI . 17 No . 5 Sep . ，2005
有机介质中酶催化的基本原理
杨 缜!
（深圳大学生命科学学院 深圳 518060）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘 要 酶在有机溶剂中催化作用的研究日益受到重视，其应用范围也越来越广。本文就有机介质中 酶催化的基本原理进行了讨论，包括酶的结构和催化机理，以及溶剂和水对酶的结构和催化功能的影响。同 时，本文归纳出提高酶活性的一系列方法，其中不少方法简便易行，能使酶活性提高 102 —105 倍。
关键词 非水酶学 酶活性 有机介质 催化机理 中图分类号：@55；T@426.97 文献标识码：A 文章编号：1005-281X（2005）05-0924-07
Fundamentals of Biocatalysis in Organic Solvents
Yang Zhen! （CoIIege of Life Science，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）
有两种方法可以使在有机介质里进行的反应体 系获得 恒 定 的 水 活 度：预 平 衡 法 和 无 机 盐 水 合 物 法［25］。其中第二种方法更简便，并能在反应过程中
· 926 ·
化学进展
第 17 卷
第 17 卷 第 5 期 2005 年 9 月
化学进展
PROGRESS IN CHEMISTRY
VoI . 17 No . 5 Sep . ，2005
有机介质中酶催化的基本原理
杨 缜!
（深圳大学生命科学学院 深圳 518060）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘 要 酶在有机溶剂中催化作用的研究日益受到重视，其应用范围也越来越广。本文就有机介质中 酶催化的基本原理进行了讨论，包括酶的结构和催化机理，以及溶剂和水对酶的结构和催化功能的影响。同 时，本文归纳出提高酶活性的一系列方法，其中不少方法简便易行，能使酶活性提高 102 —105 倍。
关键词 非水酶学 酶活性 有机介质 催化机理 中图分类号：@55；T@426.97 文献标识码：A 文章编号：1005-281X（2005）05-0924-07
Fundamentals of Biocatalysis in Organic Solvents
Yang Zhen! （CoIIege of Life Science，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）
有两种方法可以使在有机介质里进行的反应体 系获得 恒 定 的 水 活 度：预 平 衡 法 和 无 机 盐 水 合 物 法［25］。其中第二种方法更简便，并能在反应过程中
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化学进展
第 17 卷
有机相反应
2017/4/11
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2. 影响酶必需水含量的因素 必需水与酶分子的结构和性质有密切 的关系 例：溶菌酶在含水量38%以上，即每个 酶分子周围有300 个以上水分子，整个 酶被一层单分子水层所包围，酶活性才 能发挥。 ※在辛烷中凝乳蛋白酶催化仅需吸附50 个水分子，而脂肪酶仅需几个水分子就 可显示出活性
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※ 研究表明，在一般情况下，
最适水含量随着溶剂极性的增 加而增加。而最佳水活度与溶 液极性大小无关，主要与酶的 种类有关。 ※ 衡量水与酶催化活性的关系 一般用水活度，不用含水量。
2017/4/11 31
3．表征必需水作用的参数--水活度 • 水活度是指体系中水的逸度和纯水 逸度之比,通常可以用在一定温度和 压力下，反应体系中的水蒸汽压与 相同条件下纯水的蒸气压之比。
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非水相酶催化的研究迅速成为酶工程学 最为活跃的领域之一，大大拓展了酶的可 能用途。 尤其是能合成化学方法难以合成的手性化 合物（如光学活性药物、农药液晶 )等, 被广泛应用于酯合成、手性化合物的拆分 和合成、化工合成中间体的选择性基团保 护、高聚物的合成、肽合成等方面，应用 前景非常广阔。
2017/4/11 6
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有机溶剂对酶结构的影响主要有以下 两个方面： （1）有机溶剂对酶分子表面结构的 影响：夺取或影响酶分子表面的结 合水。 • 枯草杆菌蛋白酶晶体悬浮于乙腈， 12个乙腈分子夺取了原来水分子的 结合位点，与酶分子表面结合。
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（2）有机溶剂对酶活性中心结合 位点的影响：当酶悬浮于有机溶 剂中，有一部分溶剂能渗入到酶 分子的活性中心，一方面与底物 竞争活性中心的结合位点，另一 方面可能降低了活性中心的极性， 降低底物结合能力，从而影响酶 的催化活性 。
《有机化学》酶催化的有机合成反应
酶催化的有机合成反应引言将生物催化剂应用于有机合成是目前最吸引人的研究领域。
有机化合物的生物合成和生物转化是一门以有机合成化学为主，与生物学密切联系的交叉学科，它也是当今有机合成化学的研究热点和重要发展方向。
酶不仅在生物体内可以催化天然有机物质的生物转化，也能在生物体外促进天然的或人工合成的有机化合物的各种转化反应，并且显示出优良的化学选择性、区域选择性和立体选择性。
第一节酶的特性（一）、什么是酶？酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts 。
绝大多数的酶都是蛋白质。
酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。
在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。
（二）、酶和一般催化剂的共性1、用量少而催化效率高；2、它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。
3、酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。
（三），酶催化作用特性1．高效性酶的催化作用可使反应速度提高106 -1012倍。
例如：过氧化氢分解2H2O22H2O + O2用Fe+ 催化，效率为6*10-4 mol/mol. S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106 mol/mol.S。
用a-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65°C条件下可催化2吨淀粉水解。
酶催化反应过程2．选择性酶的专一性 Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性。
3．反应条件温和酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，反应温度范围为20-40°C。
高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。
4.酶活力可调节控制5.某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。
（四）、酶的命名及分类习惯命名法:1、根据其催化底物来命名；2、根据所催化反应的性质来命名；3、结合上述两个原则来命名，4、有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。
有机介质中的酶促反应
O O C R O CI PSL 水解 O (R)-型 ee%>95% O O C R CI + O (S)-型 OH CI
②环氧丙醇的酶法拆分
• PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体 系中可对２,３－环氧丙醇的丁酸酯进行了 酶促拆分。
O O C R PPL
水解
O O H OH + O H O C R
区域选择性
• 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化 底物分子中某一区域的基团进行反应 • 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性 可能会发生一定变化
化学键选择性
• 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2 个以上的化学键都可以与进行反应时，酶 对其中的一个别化学键可以优先进行催化 反应 • 在有机介质中进行酶催化反应时，化学键 选择性可能变化
• 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端 则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内 部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束； • 当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则 朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时 的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。
• 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相 或多相反应体系。 • 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相， 而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相 中。 • 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中 的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中 ，最常用的是两相体系。
胶束与反胶束体系
• 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时， 加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会 形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白 质分子在同一数量级上。
有机介质中的酶促反应
酶在有机介质中反应的优点
②环氧丙醇的酶法拆分
• PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体 系中可对２,３－环氧丙醇的丁酸酯进行了 酶促拆分。
O O C R PPL
水解
O O H OH + O H O C R
区域选择性
• 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化 底物分子中某一区域的基团进行反应 • 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性 可能会发生一定变化
化学键选择性
• 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2 个以上的化学键都可以与进行反应时，酶 对其中的一个别化学键可以优先进行催化 反应 • 在有机介质中进行酶催化反应时，化学键 选择性可能变化
• 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端 则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内 部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束； • 当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则 朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时 的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。
• 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相 或多相反应体系。 • 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相， 而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相 中。 • 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中 的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中 ，最常用的是两相体系。
胶束与反胶束体系
• 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时， 加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会 形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白 质分子在同一数量级上。
有机介质中的酶促反应
酶在有机介质中反应的优点
有机介质中的酶反应PPT学习教案
第十章 思考题
1、非水相酶学的应用领域包括哪些方面？ 2、常见的非水相酶学反应体系有哪些？ 3、名词：反相胶束体系、对映体特异性、潜手性特异性、位置特异
性、化学键特异性、pH记忆、疏水参数 4、反相胶束体系作为反应介质的优点？为什么？ 5、非水相酶促反应的优点？ 6、酶在非水相环境中保持活性，原因是什么？如何解释？ 7、非水相环境对酶的热稳定性有什么影响？为什么？ 8、如何理解水与酶柔性、有机溶剂与酶刚性之间的关系？ 9、有机溶剂对酶催化反应的影响表现在哪些方面？ 10、通常，疏水参数与酶活性之间有何关系？ 11、什么是溶剂工程？理论依据是什么？ 12、与水相比，有机溶剂对酶活性的调节有何表现？为什么？ 13、非水相中常用的酶和反应类型有哪些？
制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都 可提高。
第6页/共23页
（三）溶剂及反应体系的选择 水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、
乙醚、戊醚等 酶促反应有机介质体系： （1） 单相共溶剂体系（水/水溶性有机熔剂） （2） 两相体系（水/水不溶性有机溶剂） （3） 低水有机溶剂体系（有机溶剂体系） （4） 反胶束体系☆
第14页共23页酶活性丧失的可能原因酶活性丧失的可能原因第15页共23页44反应平衡方向反应平衡方向合成产物有机溶剂使用浓度合成收率枯草杆菌蛋白酶核糖核酸酶甘油9050无色杆菌蛋白酶人胰岛素dmf和乙醇3080羧肽酶牛胰核糖核酸甘油9050凝血酶人生长激素甘油8020嗜热杆菌蛋白酶天冬甜味素乙酸乙酯胰凝乳蛋白酶脑啡肽乙醇或dmf第16页共23页催化反应应用蛋白酶肽合成合成多肽糖类酰基化羟基化酶氧化甾体转化过氧化物酶聚合酚类胺类化合物的聚合胆固醇氧化酶氧化胆固醇测定醇脱氢酶酯化有机硅醇的酯化脂肪酶肽合成酯合成转酯聚合青霉素g前体肽合成醇与有机酸合成酯类各类酯类生产二酯的选择性聚合甘醇的酰基化四有机介质中酶催化的应用第17页共23页11手性药物的拆分手性药物的拆分概念
第三部分 有机介质中的酶反应
超临界流体的有关性质
（3）提高溶剂选择性的基本原则是：
第一：操作温度和超临界流体的临界温度接近； 第二：超临界流体的化学选择和待分离溶质的化 学性质接近。
工业类别
超临界流体萃取的应用实例
应用实例 （1） 原料药的浓缩，精制和脱溶剂（抗生素等）（2） 酵母，菌体 生成物的萃取（r-亚麻酸，酒精等）（3） 酶，维生素等的精制， 回收（4） 从动植物中萃取有效药物成分（生物碱，维生素E，芳 相油等）（5） 脂质混合物的分离精制（甘油酯，脂肪酸，卵磷酯） （1） 植物油的萃取（大豆，棕榈，花生，咖啡）（2） 动物油的萃取 （鱼油，肝油）（3） 食品的脱脂（马铃薯片，无脂淀粉，油炸食 品）（4） 从茶，咖啡中脱除咖啡因，啤酒花的萃取（5） 香料的 萃取（6） 植物色素的萃取（7） 油脂的脱色脱臭
通过选择合适的载体可使体系中的水进 行有利分配。
C.通过载体与酶之间形成的多点结合作
用，可稳定酶的催化活性构象。
例：α-胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结合后，在乙醇 中的稳定性明显提高，并且对有机溶剂的抗性随酶与载体 间共价键数量的增加而增强。
D.酶动力学影响一个酶同时催化 的两个反应的相对速度。
(2). 溶剂必须对于该主反应是惰 性的制剂。
例：酯基转移反应涉及到醇对于酯的亲 核攻击而产生另一种酯，如果溶剂也是 酯，就会生成以溶剂为基础的酯，如果 溶剂是醇，也会得到类似结果。
(3)必须考虑的其他因素
溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、 废物处理和成本等（溶剂因底物而宜） 溶剂参数lgP：即一种溶剂在辛醇/水两相 间分配系数的常用对数值，它能直接反 映溶剂的疏水性。
2． 有机溶剂影响酶催化的方 式
（1） 有机溶剂能通过直接与酶相互作 用引起抑制或失活
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这种酶催化反应主要用于酰胺、糖苷、糖酯的合成。
9
3.干介质体系中的酶促合成
在干反应技术中反应物沉积在无机氧化物上，如氧 化铝、硅胶、高岭土、硅藻土等均可用来作为反应 物的载体，然后通过加热方法使反应进行。
干反应技术可以用于糖苷酶催化的糖苷合成反应， 使用-葡萄糖苷酶与各种无机载体混合方法，在加 热到80C条件下催化葡萄糖与1,4-丁二醇的糖苷化 反应，反应2小时，得到58%产率的4-羟基丁基葡萄 糖苷。
10
二．有机相酶反应的优点
1.有利于疏水性底物的反应 7.可扩大反应pH值的适应性。
2.可提高酶的热稳定性
8. 酶易于实现固定化。
3.能催化在水中不能进行的 9.酶和产物易于回收。
反应
10.可避免微生物污染。
4.可改变反应平衡移动方向
5.可控制底物专一性
6.可防止由水引起的副反应
2
第一节 有机介质中的酶促反应概述
一、酶催化反应的介质 二．有机相酶反应的优点 三．有机相酶反应必备条件 四．有机相酶反应的研究进展
3
一、酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。
由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
4.离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。挥发性低、稳定性好。酶
在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立 体选择性、键选择性等显著特点。 离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机） 阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类。
6
补充内容
（二）无溶剂体系中酶催化反应
16
D. SC 流体的溶解能力
超临界流体的溶解能力与其密度有很大关系，而密度又受 到体系温度或压力的明显影响，所以压力或温度的变化， 就会直接改变其溶解能力。
E.超临界流体的选定
① 萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性； ② 临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温 度附近； ③ 操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；
2.气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者
能够转化为气体的物质的酶催化反应。 由于气体介质的密度 低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的 催化作用有明显的不同特点。
5
3.超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度
和压力超过某物质超临界点的流体。
反应体系，除了加入保持酶催化活性所必需的微量水 之外，不再加入任何溶剂。采用这种反应体系，可以 有效地合成在医药、食品、化妆品中使用的油脂、单 甘油酯和各种脂肪酸酯等。
8
2.“固-对-固”反应体系中的酶促合成
反应体系一般仅加10-30%水或有机溶剂，主要是 固体的反应物。起始反应混合物主要由悬浮在少量 溶剂中的固体反应物或高度饱和的液体相组成（水 或有机溶剂），而最后的反应混合物主要由固体产 物组成，这种反应体系被称为“固体-对-固体”反 应。
0.525
0.326 0.203
15
B. 超临界CO2
指纯净的CO2被加热或压缩到高于其临界点（临界温 度31.1℃，临界压力7.28Mpa)时的状态。该流体具有无毒、 无臭、不燃等优点。对多数酶都能适用，且产物易于分离。
C.提高溶剂选择性的基本原则：
第一：操作温度和压力在超临界流体的临界点接近； 第二：超临界流体的化学选择和待分离溶质的化学性质接 近。
目前酶催化的无溶剂有机合成反应中，使用 的酶主要有脂肪酶、蛋白水解酶和糖苷酶。
无溶剂酶催化反应主要包括以下几种反应体 系：液态无溶剂体系；固态-对-固态反应体 系以及干介质反应体系。
7
1.液态无溶剂体系
酶催化的底物为脂肪酸或脂肪酸酯（包括甘油酯）与 脂肪醇（包括甘油），这些底物大多数在反应温度下 呈现液体状态，或者具有较低的熔点，在稍微高的温 度下（50-70C）也呈液体状态。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了酶催化反
应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽
类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶
体系中进行催化反应。
4
（一）酶非水相催化的分类
1.有机介质中的酶催化 指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。适 用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化 作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构 和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
11
三． 有机相酶反应具备条件
1． 保证必需水含量。 2． 选择合适的酶及酶形式。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 4． 选择最佳pH值。
12
四． 有机相酶反应的研究进展
1． 超临界流体中的酶反应 2． 仿水溶剂和印迹技术
13
1． 超临界流体中的酶反应
（1）概念:
指温度和压力均在本身的临
第七章 有机介质中的酶反应
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
主讲： 徐伟 博士
1
Contents of chapter 6
Go 第一节 有机介质中的酶促反应概述 Go 第二节 有机介质中酶促反应的条件 Go 第三节 有机介质对酶性质的影响 Go 第四节 有机介质中酶促反应的应用
CO2 二
96.9
150.0 296.7 9.9 132.4
31.1
157.6 374.3
临界压力 （Mpa）
4.26
3.8
3.38 5.12 11.28 7.38
7.28
22.11 4.88
临界密度 (g/cm3)
0.220 0.228
0.232
0.227 0.236 0.460
界点以上的高密度流体，具有和液
体同样的凝聚力、溶解力；然而其
扩散系数又接近于气体，是通常液
体的近百倍。
超临界流体萃取具有很高的萃取速 度。另外该流体随着温度与压力的 连续变化，对物质的萃取具有选择 性，而且萃取后分离也很容易。
14
（2）超临界流体的有关性质
A.超临界流体的P-V-T性质
流体名称 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 乙烯 氨
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3.干介质体系中的酶促合成
在干反应技术中反应物沉积在无机氧化物上，如氧 化铝、硅胶、高岭土、硅藻土等均可用来作为反应 物的载体，然后通过加热方法使反应进行。
干反应技术可以用于糖苷酶催化的糖苷合成反应， 使用-葡萄糖苷酶与各种无机载体混合方法，在加 热到80C条件下催化葡萄糖与1,4-丁二醇的糖苷化 反应，反应2小时，得到58%产率的4-羟基丁基葡萄 糖苷。
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二．有机相酶反应的优点
1.有利于疏水性底物的反应 7.可扩大反应pH值的适应性。
2.可提高酶的热稳定性
8. 酶易于实现固定化。
3.能催化在水中不能进行的 9.酶和产物易于回收。
反应
10.可避免微生物污染。
4.可改变反应平衡移动方向
5.可控制底物专一性
6.可防止由水引起的副反应
2
第一节 有机介质中的酶促反应概述
一、酶催化反应的介质 二．有机相酶反应的优点 三．有机相酶反应必备条件 四．有机相酶反应的研究进展
3
一、酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。
由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。
4.离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。挥发性低、稳定性好。酶
在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立 体选择性、键选择性等显著特点。 离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机） 阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类。
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补充内容
（二）无溶剂体系中酶催化反应
16
D. SC 流体的溶解能力
超临界流体的溶解能力与其密度有很大关系，而密度又受 到体系温度或压力的明显影响，所以压力或温度的变化， 就会直接改变其溶解能力。
E.超临界流体的选定
① 萃取剂需具有化学稳定性，对设备没有腐蚀性； ② 临界温度不能太低或太高，最好在室温附近或操作温 度附近； ③ 操作温度应低于被萃取溶质的分解温度或变质温度；
2.气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者
能够转化为气体的物质的酶催化反应。 由于气体介质的密度 低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的 催化作用有明显的不同特点。
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3.超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度
和压力超过某物质超临界点的流体。
反应体系，除了加入保持酶催化活性所必需的微量水 之外，不再加入任何溶剂。采用这种反应体系，可以 有效地合成在医药、食品、化妆品中使用的油脂、单 甘油酯和各种脂肪酸酯等。
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2.“固-对-固”反应体系中的酶促合成
反应体系一般仅加10-30%水或有机溶剂，主要是 固体的反应物。起始反应混合物主要由悬浮在少量 溶剂中的固体反应物或高度饱和的液体相组成（水 或有机溶剂），而最后的反应混合物主要由固体产 物组成，这种反应体系被称为“固体-对-固体”反 应。
0.525
0.326 0.203
15
B. 超临界CO2
指纯净的CO2被加热或压缩到高于其临界点（临界温 度31.1℃，临界压力7.28Mpa)时的状态。该流体具有无毒、 无臭、不燃等优点。对多数酶都能适用，且产物易于分离。
C.提高溶剂选择性的基本原则：
第一：操作温度和压力在超临界流体的临界点接近； 第二：超临界流体的化学选择和待分离溶质的化学性质接 近。
目前酶催化的无溶剂有机合成反应中，使用 的酶主要有脂肪酶、蛋白水解酶和糖苷酶。
无溶剂酶催化反应主要包括以下几种反应体 系：液态无溶剂体系；固态-对-固态反应体 系以及干介质反应体系。
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1.液态无溶剂体系
酶催化的底物为脂肪酸或脂肪酸酯（包括甘油酯）与 脂肪醇（包括甘油），这些底物大多数在反应温度下 呈现液体状态，或者具有较低的熔点，在稍微高的温 度下（50-70C）也呈液体状态。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了酶催化反
应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽
类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶
体系中进行催化反应。
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（一）酶非水相催化的分类
1.有机介质中的酶催化 指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。适 用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化 作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构 和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
11
三． 有机相酶反应具备条件
1． 保证必需水含量。 2． 选择合适的酶及酶形式。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 4． 选择最佳pH值。
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四． 有机相酶反应的研究进展
1． 超临界流体中的酶反应 2． 仿水溶剂和印迹技术
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1． 超临界流体中的酶反应
（1）概念:
指温度和压力均在本身的临
第七章 有机介质中的酶反应
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
主讲： 徐伟 博士
1
Contents of chapter 6
Go 第一节 有机介质中的酶促反应概述 Go 第二节 有机介质中酶促反应的条件 Go 第三节 有机介质对酶性质的影响 Go 第四节 有机介质中酶促反应的应用
CO2 二
96.9
150.0 296.7 9.9 132.4
31.1
157.6 374.3
临界压力 （Mpa）
4.26
3.8
3.38 5.12 11.28 7.38
7.28
22.11 4.88
临界密度 (g/cm3)
0.220 0.228
0.232
0.227 0.236 0.460
界点以上的高密度流体，具有和液
体同样的凝聚力、溶解力；然而其
扩散系数又接近于气体，是通常液
体的近百倍。
超临界流体萃取具有很高的萃取速 度。另外该流体随着温度与压力的 连续变化，对物质的萃取具有选择 性，而且萃取后分离也很容易。
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（2）超临界流体的有关性质
A.超临界流体的P-V-T性质
流体名称 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 乙烯 氨